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Publié par | Thesee |
Nombre de lectures | 38 |
Langue | English |
Poids de l'ouvrage | 3 Mo |
Extrait
THESE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE ’
Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Dynamique des fluides
Présentée et soutenue par Jean-Mathieu Senoner
Le 9 juin 2010
Simulation aux Grandes Échelles de l’écoulement diphasique
dans un brûleur aéronautique par une approche Euler-Lagrange
JURY
F.X. DEMOULIN Maître de conférences à l’Université de Rouen/CORIA Rapporteur
P. BRUEL Chargé de recherche à l’UPPA Rapporteur
G. LAVERGNE Professeur à l’ISAE / Onera Toulouse Examinateur
M. LANCE Professeur à l’Université Claude Bernard de Lyon Examinateur
B. OESTERLE Professeur à l’ESSTIN Examinateur
B. CUENOT Chercheur senior au CERFACS Directrice de thèse
T. LEDERLIN Ingénieur à Turbomeca Membre Invité
C. HABCHI Ingénieur de recherche à l’IFP Membre Invité
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : CERFACS
Directeur de Thèse : Bénédicte Cuenot
Co-Directeur de Thèse : Rémi Abgrall
Contents
PART I THE INDUSTRIAL CONTEXT
Chapter1: Generalintroduction
1.1 Combustionoffossilfuels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Environmental context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Towards lean combustioninaeronauticengines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Numericalsimulationofrealisticcombustionsystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Modeling of the gaseousphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 of the dispersedphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Objectivesofthepresentwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Previous developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Plan of the thesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
PART II GOVERNING EQUATIONS AND NUMERICS
Chapter2: Equationsforthegaseousphase
2.1 Conservationequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Stress tensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2 Equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 Specific energy andthermodynamicrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.4 Diffusive species flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.5 Heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.6 Chemical source terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.7 Transport properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
iContents
2.2 Large-EddySimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Basic aspects of turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Resolution levels inturbulencesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Filtered equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Subgrid closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.5 Subgrid scale models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Chapter3: Equationsfortheparticlephase
3.1 Lagrangianequationsofmotionforanisolatedparticle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Generalized Basset-Boussinesq-Oseenequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Generalized drag force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.3 Momentum equationimplementedinAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Evaporationofanisolatedparticle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Mass transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Determination of thermodynamicquantitiesovertheintegrationpath . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Interactionbetweenfluidandparticlephase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Interphase exchangeterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 Interaction with turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 LagrangianMonte-Carloapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 MesoscopicEulerianapproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6 Characteristicdiametersofaspray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Chapter4: Numerics
4.1 TheLESsolverAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Thefinitevolumeapproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 Domain discretization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.2 Cell-vertex approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 ConvectiveschemesinAVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.1 The Lax-Wendroff scheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.2 Taylor-Galerkin schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Viscousandartificialdiffusionoperators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.1 2Δ diffusion operator(vertex-centered) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Artificial viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Sourceterms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5.1 Vertex-centered sourceterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
iiContents
4.5.2 Finite-element sourceterm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.6 Timeadvancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.7 NumericsintheLagrangiansolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7.1 Time advancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7.2 Interpolation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7.3 Coupling betweenphases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.7.4 Particle-wall interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
PART III SPRAY MODELING
Chapter5: Liquidinjection
5.1 Liquiddisintegrationmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.1 Primary atomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.1.2 Secondary breakup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.3 Numerical tools for thesimulationofprimaryatomization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.4 Reynolds AveragedNavierStokesmethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 TheFIMURapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1 Methodolgy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.2 Flow fieldinside pressureswirlatomizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.3 FIMUR in the Euler-Eulerapproach . . . . . . . . . . . . .